Экстремум функции нескольких переменных. Необходимые и достаточные условия существования экстремума
Определение 7. Точка называется точкой минимума (максимума) функции, если существует такая окрестность точки, что для всех точек из этой окрестности выполняется неравенство, ().
Точки минимума и максимума функции называются точками экстремума, а значения функции в этих точках - экстремумами функции (минимумом и максимумом соответственно).
Заметим, что минимум и максимум функции имеют локальный характер, так как значение функции в точке сравнивается с ее значениями в точках, достаточно близких к.
Теорема 1 (необходимые условия экстремума). Если - точка экстремума дифференцируемой функции, то ее частные производные и в этой точке равны нулю:.
Точки, в которых частные производные первого порядка равны нулю, называются критическими или стационарными. В критических точках функция может иметь экстремум, а может и не иметь.
Теорема 2 (достаточное условие экстремума). Пусть функция: а) определена в некоторой окрестности критической точки, в которой и; б) имеет непрерывные частные производные второго порядка. Тогда, если, то функция в точке имеет экстремум: максимум, если А<0; минимум, если А>0; если, то функция в точке экстремума не имеет. В случае вопрос о наличии экстремума остается открытым.
При исследовании функции двух переменных на экстремум рекомендуется использовать следующую схему:
1. Найти частные производные первого порядка: и.
2. Решить систему уравнений и найти критические точки функции.
3. Найти частные производные второго порядка:,,.
4. Вычислить значения частных производных второго порядка в каждой критической точке и, используя достаточные условия, сделать вывод о наличии экстремума.
5. Найти экстремумы функции.
Пример 6. Найти экстремумы функции.
Решение. 1. Находим частные производные и:
2. Для определения критических точек решаем систему уравнений
или
Из первого уравнения системы находим:. Подставляя найденное значение y во второе уравнение, получим
откуда
Находим значения y, соответствующие значениям. Подставляя значения в уравнение, получим:.
Таким образом, имеем две критические точки: и.
3. Находим частные производные второго порядка:
4. Вычисляем значения частных производных второго порядка в каждой критической точке. Для точки имеем:
,,.
Так как
,
то в точке экстремума нет.
В точке:
,,
и, следовательно,
.
Значит, в силу достаточного условия экстремума, в точке функция имеет минимум, так как в этой точке и.
5. Находим значение функции в точке: